Story #1 : une histoire de vapeur et d’acier

Comment Vallourec a mis au point son acier haute performance VM12-SHC

La R&D au service de la centrale au gaz la plus performante au monde​

VALLOUREC_MASTER_PWG_ok290416.jpegLes tubes en VM12-SHC, un grade d’acier breveté par Vallourec, équipent la nouvelle centrale électrique à cycle combiné à gaz Fortuna construite par Siemens à Düsseldorf, en Allemagne. Ce projet, qui fait suite à l’implication de Vallourec dans la centrale d’Irsching 4, confirme la performance inégalée de ce grade d’acier.​

Depuis Janvier 2016, la centrale à gaz la plus efficace du monde se trouve à Düsseldorf, en Allemagne. Vallourec a fourni 1 000 tonnes de tubes chaudières premium pour cette centrale hors norme construite par Siemens qui est aujourd’hui opérée par le propriétaire Stadtwerke Düsseldorf. Equipée avec la récente technologie à cycle combiné au gaz (CCGT), Fortuna atteint une puissance électrique nette de 603.8 MW avec un rendement électrique d’environ 61,5 %. Complètement intégrée dans l’infrastructure énergétique de la ville de Düsseldorf, le bloc Fortuna fournit cependant plus que de l’électricité. La chaleur résiduelle de ses turbines alimente le réseau de chauffage urbain de la ville. Résultat : l'efficacité générale du gaz naturel comme carburant atteint une valeur inégalée de 85 %. De ce design résulte une diminution des émissions de CO2 de 600 000 tonnes dès la première année d'exploitation, puis d’un million de tonnes par an à l'horizon 2025. Grâce à ces performances, Fortuna a établi un nouveau record mondial, dépassant les valeurs déjà exceptionnelles de la centrale d’Irsching 4, qui est également équipée de tubes chaudières en grade VM12-SHC.​

​Lors de la conception de sa turbine, le constructeur Siemens a choisi les tubes chaudières premium en grade VM12-SHC de Vallourec pour leurs propriétés exceptionnelles, qui garantissent son fonctionnement à des températures extrêmement élevées. Installés dans l’évaporateur et dans le surchauffeur de la centrale, là où l’eau se transforme en vapeur, le matériau doit résister à des pressions de 180 bars et à des températures de plus de 600°C. En effet, l'utilisation de cet acier innovant, qui offre une résistance inégalée à l'oxydation, rend possible l’augmentation de la température d’exploitation et ainsi les rendements records de cette unité de combustible.

​La création d’un acier extraordinaire

Afin de garantir une offre compétitive sur un marché particulièrement exigeant, tout en respectant les standards environnementaux, la performance des centrales électriques modernes ne cesse d’augmenter. Une baisse d’émission de CO2 couplée avec une augmentation des rendements, ne peut pas être atteinte sans augmenter les températures d’exploitation, ce qui entraîne naturellement une sollicitation accrue des matériaux utilisés. En tant que spécialiste des tubes pour centrales électriques, Vallourec a défini les caractéristiques de la nouvelle génération d’aciers il y a quelques années en coopération étroite avec ses clients. Le développement et la conception de procédés et de grades d’acier pour les centrales électriques conventionnelles et nucléaires est l’une des missions du centre de recherche de Vallourec en Allemagne.

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Grâce à l'expérience de Vallourec dans le domaine des aciers résistants à haute température, les ingénieurs de Vallourec sont capables d’identifier la composition de nouveau grade d’acier et de l’étudier au moyen de modèles thermodynamiques, avant d’en élaborer les premiers échantillons de test. Ces échantillons sont ensuite examinés et soumis à des séries d’essais exigeantes, afin de garantir la capacité du matériau à résister aux conditions d’opération sévères caractérisant les centrales électriques modernes. Ainsi, pour observer la microstructure de l’acier, des échantillons sont polis, attaqués au moyen d’une solution chimique, puis examinés au microscope électronique. La résistance à l’oxydation à haute température est testée en plaçant les échantillons dans des fours spécialisés qui atteignent jusqu’à 675 °C. A cette occasion, le VM12-SHC a démontré sa bonne résistance à l’oxydation. A l’heure actuelle, c’est le grade d’acier le plus performant de sa catégorie. Dans l’essai de flexion par choc sur éprouvette entaillée Charpy, les chercheurs s’assurent de la résilience du matériau. Lors de l’essai, un marteau en chute libre frappe un échantillon dont la déformation peut être enregistrée avec une caméra à haute vitesse et ainsi analysée de façon très détaillée.

En dernier, la résistance au fluage de l’acier a été testée lors de 164 essais pour une durée totale cumulée de plus de 100.000 heures !

 

TEMOIGNAGE CLIENT​​

plus/moinsVideo Transcript

plus/moinsTémoignage client Siemens AG

« Les centrales électriques modernes opèrent à des températures qui dépassent les 600 °C. Ceci veut dire que les matériaux métalliques normaux, avec leurs valeurs de résistance au fluage ou à la corrosion due à des températures élevées ne peuvent plus être utilisés. VM12-SHC contient 12 % de chrome et correspond ainsi parfaitement à ces exigences. A la condition de respecter les recommandations du fabricant d’acier, il n’y aura aucun problème pendant l’utilisation, car le comportement du VM12-SHC est très similaire à celui du P 91 qui est bien connu sur le marché. Les tubes en VM12-SHC ont été installés avec succès dans les surfaces de chauffage de chaudières, le surchauffeur, et dans la phase finale du re-chauffeur dans la centrale Irsching 4 à Munich et ensuite également dans la centrale de Fortuna. Pour les projets en Europe, qui sont développés dans le respect des normes Européennes, l’usage du VM12-SHC est défini dans les fiches techniques du VdTÜV3. Comme le matériau est désormais également approuvé auprès de l’ASME4, le VM12-SHC pourraient donc être utilisé dans des régions qui se référent aux standards des USA. Chez Siemens, l’usage du VM12-SHC est étudié dans tous les projets à venir. »​​

Essai de flexion par chocs

Test métalurgique VM12-SHC



« L'augmentation du rendement et de la puissance de la centrale est le résultat d'améliorations constantes : le perfectionnement de la conception des composants et des matériaux mis en œuvre et, plus généralement, de l'ingénierie de la centrale, l’interaction parfaite entre tous les composants. »

Un représentant de Siemens